生物计算机概述
生物计算机发展趋势
一．生物计算机的概念与种类：生物计算机又称仿生计算机，是以生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万计的晶体管制成的计算机。
它的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。
生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。
（摘自《百度百科》）目前生物计算机原理可分为两个方向。
一种基于神经网络原理的神经生物计算机，主要在细胞层面实现计算，突破了冯．诺依曼模型和二进制原理。
另一种是仍基于冯．诺依曼模型，通过蛋白质或DNA的某些二态性，在分子生物层面进行运算的蛋白质计算机和DNA计算机。
目前，受神经生物学发展的限制，神经网络计算机的研究还以仿生为主。
DNA计算机被学界认为是目前较有前途的研究方向。
但笔者认为神经网络计算机才是最有竞争力的生物计算机。
生物计算机二．产生背景：1．电子计算机逃脱不了各种传输门延迟时间的束缚。
2. 作为电子计算机核心元件的大规模集成电路多以硅为材料.按传统工艺,在硅片上集成度有一定的限量。
若提高了集成度,电路密集引起的散热问题又难于解决。
[1]3.大型计算机存在严重的电磁干扰问题。
4.随着集成电路工艺的提高，摩尔定律逐渐失效。
5.计算机没有学习能力，人脑的高级功能无法用计算机实现。
因此我们需要从一个全新的角度来考虑计算机的构造。
与此同时，生物芯片技术日趋成熟，神经学研究也取得进展进展。
生物计算机便应运而生了。
三.生物计算机的优点：1. 体积小,功效高。
1mm2的面积上可容纳数亿个电路,比目前的电子计算机提高了上百倍。
发热和电磁干扰都大大降低。
2. 若能使生物本身的修复机制得到发挥，则即使芯片出了故障也能自我修复，可靠性将大大提高。
（这是生物计算机极其诱人的潜在优势）3. 生物计算机具备并行处理能力，尤其是生物神经计算机，具备很好的并行式分布式存储记忆，广义容错能力。
生物计算机
生物计算机发展现状介绍
生物学和工程学结合起来制造生物计算机已不是天方夜 谭。美国南加州大学计算机科学家伦纳德· 艾德曼已研 制成功一台DNA计算机。艾德曼说：“DNA分子本质 上就是数学式，用它来代表信息是非常方便的，试管中 的DNA分子在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应。 28.3g DNA的运行速度超过了现代超级计算机的10万 倍．”
生物计算机发展前景分析
生物计算机简单介绍
生物计算机发展现状介绍
生物计算机特点介绍 生物计算机发展的制约
研究取得成果及前景预测
生物计算机简单介绍
生物计算机主要就是利 用经过特殊培养后制成 的生物芯片，来制作一 种新型高速计算机。生 物计算机芯片本身还具 有并行处理的功能，其 运算速度要比当今最新 一代的计算机快10万倍， 能量消耗仅相当于普通 计算机的十亿分之一， 存储信息的空间仅占百 亿亿分之一。
能基因组和生物芯片”在生物芯片产业取得阶段成果
● 2005年，由“长江学者特聘教授”、南开大学王磊博士 任首席科学家的国家“863”专项—“重要病原微生物检测生 物芯片”课题组经过两年的潜心科研攻关，取得重大成果 ●2006年，生物芯片北京国家工程研究中心又成功研制了一 种利用生物芯片对骨髓进行分析处理的技术
(2)基因、蛋白质等前沿研究：除去制 作技术外，关键就是芯片上放置的基 因和蛋白质等物质 (3)专利和产权：以生物芯片技术为 核心的各相关产业正在全球崛起， 一个不容忽视的问题就是专利和产 权的问题
研究取得成果及前景预测
●“十五”期间，中国生物芯Fra bibliotek研究共申请国内专利356项，国
外
专利62项。
●2005年4月，由科技部组织实施的国家重大科技专项“功
生物计算机
Part6 最新进展
• 2011年10月21日，英国《每日邮报》 (Daily Mail)报导，伦敦帝国学院(Imperial College London)的研究人员展示，他们能 以无害的细菌与化学品建立“逻辑闸 ”(logicgate)。逻辑闸就是今日微处理器的 建构方块(building block)。
Part3 体系结构
• 生物计算机的物理模型
• • • • 生化输入存储器 生化运算场 生化检测装置 电子计算机
图2
生物计算机的物理模型
Part3 体系结构
• 生化输入存储器存放dNTP、工具酶(包括限 制性内切酶，连接酶,聚合酶等)、标准DNA 片段以及合成好的单链DNA等。 • 生化运算场是试管、载体表面或芯片， RNA和DNA分子在运算场进行运算,即进行 连接、复性、变性、PCR反应、切割、清 洗等操作，生化运算场还用于合成表示数 据的单链DNA。
谢谢观看！
• 1.体积小，密度高
用蛋白质制成的计算机芯片，它的一个存储点只 有一个分子大小，所以它的存储容量可以达到普 通计算机的十亿倍。由蛋白质构成的集成电路， 其大小只相当于硅片集成电路的十万分之一。而 且运行速度更快，只有1×10^(-11)秒，大大超过 人脑的思维速度。
Part2 特点
• 2.自我修复具有永久性和很高的可靠性
• 定义 生物计算机又称仿生计算机，用生物芯片来代替 传统的半导体硅片集成电路，从而制成以• 仿生学通过对自然界生物特性的研究与模仿，更 好地为人类社会服务。 • 科学家通过对生物组织体研究，发现组织体是由 无数的细胞组成，细胞由水、盐、蛋白质和核酸 等有机物组成，而有些有机物中的蛋白质分子像 开关一样（比如酶），具有“开”与“关”的功 能。因此，人类利用遗传工程技术，仿制出这种 蛋白质分子，制成了生物计算机。
生物计算机电脑技术与生命科学的交汇点
生物计算机电脑技术与生命科学的交汇点生物计算机：电脑技术与生命科学的交汇点生物计算机是一种将电脑技术与生命科学相结合的新型技术。
它的发展源于对生物体内发生的复杂计算过程的研究，通过模拟和应用生物体内的计算机原理，来解决复杂问题和开发新的应用。
本文将探讨生物计算机的原理、应用领域以及未来发展趋势。
一、生物计算机的原理生物计算机的原理基于生物体内的计算机原理，主要涉及DNA计算、蛋白质计算和细胞计算等技术。
DNA计算利用DNA分子的信息存储和处理能力，进行类似于电子计算机中逻辑门和数据处理的运算。
蛋白质计算则利用蛋白质的折叠和相互作用原理，实现类似于电子计算机中的算术、逻辑运算等。
细胞计算则是通过模拟细胞内部的信号传递和调控网络，进行信息存储和处理。
二、生物计算机的应用领域1. 生物信息学生物计算机在生物信息学领域具有广泛的应用。
它可以加速DNA序列的拼接和比对，为基因组学、转录组学、蛋白质组学等研究提供高效的分析工具。
同时，生物计算机还可以模拟和预测分子间的相互作用，为药物设计和疾病治疗提供新的思路和方法。
2. 智能医疗生物计算机在智能医疗领域的应用正在逐渐展开。
它可以通过分析个体的基因组数据，预测患者患上某种疾病的风险，并提供个性化的治疗方案。
此外，生物计算机还可以用于细胞治疗，通过调整细胞内的基因表达，治疗某些难以治愈的疾病。
3. 环境保护生物计算机在环境保护领域的应用也具有潜力。
通过模拟和分析物种的进化和生态系统的变化，生物计算机可以预测环境变化对生物多样性的影响，为环保决策提供科学依据。
此外，生物计算机还可以用于优化微生物酶的设计，提高废水处理和生物燃料生产的效率。
三、生物计算机的发展趋势随着生物计算机技术的不断发展，未来它将进一步融合电脑技术和生命科学，呈现以下几个趋势：1. 多学科交叉融合生物计算机的发展需要多学科的交叉融合，电脑技术、生命科学、物理学等多个领域的专家需要共同合作，共同推动生物计算机的发展。
生物计算机的介绍
正如人类基因组计划给予我们的启示一样， DNA（脱氧核糖核酸）的资料储存及运算能力 可能远远超过目前电脑所使用的硅晶片。目 前，电脑科学家正致力于研发基因超级电脑， 用以建构以DNA 为基础的资讯科技新世纪。 DNA又称为脱氧核糖核酸，使细胞核中携带生 物生长指令的遗传物质。DNA拥有不可思议的 资料存储功能，很可能比硅晶片更强。一般 而言，1毫克DNA的存储功能大约相当于1万片 的光碟片，更为不可思议的是，DNA还具有在 同一时间处理数兆个运算指令的能力。研究 者指出，将生命活动的指令进行编码的遗传 分子DNA和RNA里可以储存比常规存储芯片多 的数据，试管状的生物计算机中含有大量的 遗传物质片断，每一个片断就是一个微型计 算工具，因此生物计算机能同时进行数千次 甚至上百万次计算。对于生物计算机将来的 用途，研究人员有种种设想。其中一项就是 让它代替人进行新药物临床试验，它通过运 算可以模拟人体的多种变化情况，只要把药 品的成分描述输入生物计算机，就会得出反 应结果。
简介
生物计算机（ biological computer） 又称仿生计算机(bionic computer)。以 生物芯片取代在半导体硅片上集成效以万 计的晶体管制成的计算机。涉及计算机科 学、脑科学、神经生物学、分子生物学、 生物物理、生物工程、电子工程、物理学 和化学等有关学科。研究生物芯片，研究 有关大脑和神经元网络结构的信息处理、 加工原理，以及建立全新的生物计算机原 理，探讨适于制作芯片的生物大分子的结 构和功能。以及如何通过生物工程(用脱 氧核糖核酸A重组技术和蛋白质工程)来组
美国加州理工学院（California Institute of Technology）的克里斯蒂娜·斯默尔克(Christina Smolke)是该研究的合著作者之一，他指出，像这样的生 物计算机有朝一日可使人类直接控制生物学计算系统。
生物计算机
生物计算机引言生物计算机是一种新兴的研究领域，它将生物学和计算机科学相结合，旨在开发出能够模拟和运行生物系统的计算机技术。
生物计算机的研究涉及多个学科领域，包括计算机科学、生物学、生物工程等等。
本文将介绍生物计算机的基本概念、原理和应用，以及未来的发展趋势。
生物计算机的基本概念生物计算机主要通过模拟和运算生物系统中的信息处理过程来发展计算机技术。
它模仿生物体中的分子、细胞和器官之间的相互作用，并将其转化为计算机算法和程序实现。
生物计算机可以模拟和处理生物系统中的信息，例如分子模拟、基因测序、蛋白质折叠等等。
生物计算机的原理生物计算机的原理可以简单地分为两个层面：硬件层面和软件层面。
硬件层面生物计算机的硬件主要由生物分子和细胞构成。
它利用DNA、RNA、酶、蛋白质等生物分子的自组装特性，构建出具有计算和存储功能的生物芯片。
生物芯片可以通过分子之间的相互作用来进行信息传递和处理。
例如，利用DNA分子提供的序列信息来存储和计算数据，利用酶的催化作用来进行计算操作等等。
软件层面生物计算机的软件主要通过算法和程序来实现。
它利用生物系统中的信息处理机制，设计出相应的计算机算法和程序，从而实现生物计算机的功能。
例如，利用分子动力学模拟算法来模拟生物分子的运动和相互作用，利用遗传算法来进行参数优化等等。
生物计算机的应用生物计算机具有广泛的应用前景，在多个领域都有重要的作用。
生物医学生物计算机可以在生物医学领域发挥重要作用。
它可以用于药物设计、疾病诊断和治疗等方面。
例如，利用生物计算机的分子模拟技术，可以预测药物与蛋白质之间的相互作用，从而指导药物设计和开发。
此外，生物计算机还可以用于疾病诊断，通过检测生物样本中的特定生物标记物，来判断是否患有某种疾病。
生物能源生物计算机可以在生物能源领域发挥重要作用。
它可以用于优化生物能源的生产过程，提高生物能源的效率和产量。
例如，利用生物计算机的遗传算法，可以优化生物反应器中的菌株选择和培养条件，从而提高生物能源的产量。
目前最先进的生物计算机
目前最先进的生物计算机生物计算机是一种利用生物体内的分子、细胞和生物化学反应进行计算和信息处理的新型计算机。
它具有高度的并行性、低能耗和高效率等特点，被认为是未来计算科学领域的重要突破。
目前，科学家们正在不断探索和研发最先进的生物计算机，以期能够在各个领域发挥重要作用。
在目前最先进的生物计算机中，DNA计算机是一种备受关注的技术。
DNA计算机利用DNA分子的信息存储和处理能力，通过DNA序列的组合和重组来进行计算。
DNA计算机具有极高的并行性和信息存储能力，可以在短时间内完成大规模的计算任务。
此外，DNA计算机还具有极低的能耗和体积小的特点，可以在微型芯片上实现高效的计算。
另外，蛋白质计算机也是目前最先进的生物计算机之一。
蛋白质计算机利用蛋白质分子的结构和功能进行计算和信息处理。
蛋白质计算机具有高度的并行性和信息处理能力，可以在短时间内完成复杂的计算任务。
与传统计算机相比，蛋白质计算机具有更低的能耗和更高的计算效率，可以在生物医学、药物研发等领域发挥重要作用。
此外，光子计算机也是目前最先进的生物计算机之一。
光子计算机利用光子的特性进行计算和信息处理。
光子计算机具有高速、高效和低能耗的特点，可以在短时间内完成大规模的计算任务。
光子计算机还具有高度的并行性和信息传输能力，可以在光纤网络中实现高效的信息处理和传输。
尽管目前最先进的生物计算机在技术上取得了重要突破，但仍然存在一些挑战和问题需要解决。
首先，生物计算机的制造和操作成本较高，需要更多的研究和开发投入。
其次，生物计算机的稳定性和可靠性仍然需要进一步提高，以确保其在实际应用中的可行性和可靠性。
此外，生物计算机的安全性和隐私保护也是一个重要问题，需要加强相关的研究和技术保障。
总之，目前最先进的生物计算机在DNA计算机、蛋白质计算机和光子计算机等方面取得了重要进展。
这些生物计算机具有高度的并行性、低能耗和高效率等特点，被认为是未来计算科学领域的重要突破。
第六代计算机——生物计算机
生物计算机的五大优点
1. 体积小,功效高 2. 生物计算机的芯片永久性与可靠性 3. 生物计算机的存储与并行处理 4. 无发热与信号干扰 5. 数据错误率
优点一——体积小,功效高
生物计算机的面积上可容纳数亿个电路,比目前的电子计 算机提高了上百倍。同时，生物计算机，已经不再具有 计算机的形状，可以隐藏在桌角、墙壁或地板等地方， 同时发热和电磁干扰都大大降低。
研究方向
生物计算机是人类期望在21世纪完成的伟大工程。是计算 机世界中最年轻的分支。目前的研究方向大致是两个：一 是研制分子计算机，即制造有机分子元件去代替目前的半 导体逻辑元件和存储元件；另一方面是深入研究人脑的结 构、思维规律，再构想生物计算机的结构。
优点三——生物计算机的存储与并行处理
生物计算机在存储方面与传统电子学计算机相比具有巨大优势。一克DNA存储 信息量可与一万亿张CD相当，存储密度是通常使用磁盘存储器的1000亿到 10000亿倍。生物计算机还具有超强的并行处理能力，通过一个狭小区域的生 物化学反应可以实现逻辑运算，数百亿个DNA分子构成大批DNA计算机并行操 作。尤其是生物神经计算机，具备很好的并行式分布式存储记忆，广义容错 能力。在处理玻尔兹曼自动机模型和一些非数值型问题时表现出巨大潜力。 真正摆.脱冯诺依曼模型，真正实现智能。
组物 生 成计 物 部算 芯 分机 片
பைடு நூலகம்的 重 要生
——
生物计算机的优点
1983年美国提出了生物计算机的概念。此后，各个发达国 家开始研制生物计算机。 生物学家将仿生学运用到生物计 算机领域，产生了生物化学分子构架生物计算机的观点。 生物计算机目前仍旧处于蓬勃兴起阶段，国内外正在积极 地研制新型生物芯片。尽管生物计算机尚未有取得重大颠 覆性的进展，甚至部分学者提出生物计算机目前出现的一 系列缺点，例如遗传物质的生物计算机受外界环境因素的 干扰、计算结果无法检测、生物化学反应无法保证成功率 等，此外，以蛋白质分子为主的芯片上很难运行文本编辑 器。但这些并不影响生物计算机这个存在巨大诱惑的领域 的快速发展，随着人类技术的不断进步，这些问题终究会 被解决，生物计算机商业化繁荣将到来。
第六代计算机——生物计算机
第六代计算机——生物计算机引言：随着科技的不断进步，计算机科学领域的发展也日新月异。
第一代计算机使用了电子管技术，第二代计算机采用了晶体管技术，第三代计算机采用了集成电路技术，第四代计算机采用了大规模集成电路技术，第五代计算机采用了超大规模集成电路技术。
那么，第六代计算机将会是什么呢？从目前的科技发展趋势来看，生物计算机有望成为第六代计算机的主要发展方向。
一、生物计算机的原理生物计算机是一种新型的计算机体系结构，它以生物分子和生物系统为基础，利用生物化学反应和分子识别等原理进行计算和运算。
生物计算机的运算速度和能效比传统计算机更高，同时具备更强的容错性和自组织能力。
生物计算机的原理可以概括为四个方面：1.DNA计算：DNA是生物体内的遗传物质，具有高度的信息密度。
DNA计算利用DNA分子的特性进行计算运算，可以实现海量信息的存储和处理。
2.生物分子交互作用：生物分子之间的相互作用是生物计算机的运算基础。
通过控制生物分子的相互作用，可以实现信息的传递和处理。
3.分子识别技术：利用生物分子识别的特性，可以进行信息的输入和输出。
这一技术可以实现计算机和人体之间的无缝连接。
4.生物系统模拟：生物计算机可以模拟和研究生物系统中的各种生物过程。
这有助于深入理解生物体的机理和功能。
二、生物计算机的应用领域生物计算机具备许多传统计算机所不能比拟的优势，因此在很多领域都有广泛的应用前景。
1.生态环境保护：生物计算机可以模拟和分析生态系统中各种生物过程，帮助科学家更好地了解生态环境的变化。
通过获取和分析大量的生态数据，生物计算机可以帮助预测生态系统的演变和判断生态环境的健康状况。
2.医学诊断与治疗：生物计算机可以通过分析人体内的生物信息，帮助医生进行更准确的诊断和制定更有效的治疗方案。
例如，生物计算机可以通过分析人体DNA序列，预测个体的遗传病风险，从而提前采取预防措施。
3.生物工程：生物计算机可以模拟和优化生物反应过程，帮助科学家设计更高效的生物反应器和生物工厂。
第29讲 生物计算机
二、生物计算机原理
1. DNA的结构 DNA计算机利用DNA分子保存信息。DNA分子 是由腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶 (T)四种核苷酸(碱基)组成的序列，不同的序列可用 来表示不同的信息。n位二进制数的每一位数的“0” 和“1”可用不同的DNA序列表示，大量序列在一起 时，可同时产生2n个数。通过一系列适当的生化反 应，可得出表示结果的DNA分子。
5) DNA计算机 科学家研究发现，脱氧 核糖核酸（DNA）有一种特 性，能够携带生物体的大量 基因物质。从中得到启迪， 正在合作研究制造未来的液 体DNA电脑。 DNA电脑的工作原理是 以瞬间发生的化学反应为基 础，通过和酶的相互作用， 将发生过程进行分子编码， 把二进制数翻译成遗传密码 的片段，每一个片段就是著 名的双螺旋的一个链，然后 对问题以新的DNA编码形式 加以解答。
1982年，在法国秀丽的阿尔卑斯山上举行了首届生物计算机国际 会议。 1983年，美国公布了研制生物计算机的设想之后，立即激起了 发达国家的研制热潮。 1994年11月美国《科学》杂志首先公布了DNA计算机的理论。 2000年1月，威斯康星大学的科学家在《自然》杂志上发表研究 报告指出，他们已经发现了一种利用附着在镀金物体表面的 DNA分 子链完成简单计算的方法。 2000年普林斯顿大学生物学家劳拉· 兰德韦伯领导的另一个研究 小组报告了一种利用核糖核酸( RNA，DNA的一种化学同类物)完成类 似计算的方法。 2001年11月，以色列科学家已经成功研制出世界上第一台可编 程DNA电脑，这种电脑即使有一万亿“台”，其体积也不超过一滴水 的大小。 2000年3月17日美国威斯康星大学的研究人员最近制造出一台生 物计算机。它由大约100万亿个人工合成的DNA链状结构组成，能进 行一些相对复杂的运算。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物计算机
作者: 来源:世界科技报道发布者: 刘斌类别:专题6-生物芯片日期: 2006-11-22
20世纪70年代以来，人们发现脱氧核糖核酸(DNA)处在不同的状态下，可产生有信息和无信息的变化。
联想到逻辑电路中的0与1、晶体管的通导或截止、电压的高或低、脉冲信号的有或无等等，科学家们激发了研制生物元件的灵感。
这项研究中最著名的代表就是美国著名的生物化学家、国际电子分子生物风险学会主席詹姆士·麦卡里尔博士，他不仅是生物分子电子学的创始人之一，而且他带领一个6人小组在华盛顿近郊的一座普通楼房里，进行着生物芯片和生物计算机的开拓性研究。
1982年，在法国秀丽的阿尔卑斯山上举行了首届生物计算机国际会议，来自世界各地的生物学家、化学家、物理学家、医学家、遗传学家、分子生物学家、微电子学家和计算机科学家们会聚一堂，探讨生物计算机的发展前景。
经过特殊培养后制成的生物芯片可作为一种新型高速计算机的集成电路
生物计算机的主要原材料是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。
生物元件比硅芯片上的电子元件要小很多，甚至可以小到几十亿分之一米，而且生物芯片本身具有天然独特的立体化结构，其密度要比平面型的硅集成电路高五个数量级．如让几万亿个DNA分子在某种酶的作用下进行化学反应就能使生物计算机同时运行几十亿次。
生物计算机芯片本身还具有并行处理的功能，其运算速度要比当今最新一代的计算机快10万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的十亿分之一，存储信息的空间仅占百亿亿分之一。
生物芯片一旦出现故障，可以进行自我修复，所以具有自愈能力。
生物计算机具有生物活性，能够和人体的组织有机地结合起来，尤其是能够与大脑和神经系统相连。
这样，生物计算机就可直接接受大脑的综合指挥，成为人脑的辅助装置或扩充部分，并能由人体细胞吸收营养补充能量，因而不需要外界能源。
它将成为能植入人体内，成为帮助人类学习、思考、创造、发明的最理想的伙伴。
另外，由于生物芯片内流动电子间碰撞的可能极小，几乎不存在电阻，所以生物计算机的能耗极小。
把生物学和工程学结合起来制造生物计算机已不是天方夜谭。
美国南加州大学计算机科学家伦纳德·艾德曼已研制成功一台DNA计算机。
艾德曼说：“DNA分子本质上就是数学式，用它来代表信息是非常方便的，试管中的DNA分子在某种酶的作用下迅速完成生物化学反应。
28.3g DNA的运行速度超过了现代超级计算机的10万倍．”
科学家们认为：生物工程是全球高科技领域最具活力和发展潜力的一门学科，加上计算机、电子工程等学科的专家通力合作，有可能在21世纪将实用的生物计算机推向世界。
/news/news/show.php?id=42724。